簡易數(shù)字信傳輸性能分析儀設(shè)計報告

1、簡易數(shù)字信號傳輸性能分析儀摘要：本設(shè)計是以STM32F10彈片機為控制核心，輔以現(xiàn)場可編程邏輯門陣列FPGA件制作的一臺簡易數(shù)字信號傳輸性能分析儀，該系統(tǒng)在FPGA內(nèi)部產(chǎn)生曼徹斯特碼和偽隨機信號，曼徹斯特碼經(jīng)過低通濾波和可調(diào)衰減與放大電路進行前端信號調(diào)理， 該信號與經(jīng)可調(diào)衰減后的偽隨機信號進入加法器。 后級通過濾波與可調(diào)衰減進行信號調(diào)理和采樣。 數(shù)字信號分析電路對曼徹斯特編碼信號進行邊沿檢測，通過對兩邊沿之間的寬度進行計數(shù)，對計數(shù)值進行處理實現(xiàn)同步時鐘的提取。該設(shè)計可在低信噪比情況下提取時鐘，實現(xiàn)了眼圖的顯示。經(jīng)測試，整個設(shè)計實現(xiàn)了基礎(chǔ)部分的要求和發(fā)揮部分的要求 , 系統(tǒng)性能安全可靠，用戶界面

2、良好。關(guān)鍵詞：單片機可編程邏輯器件數(shù)字信號傳輸眼圖一、方案設(shè)計與比較數(shù)字信號發(fā)生器的設(shè)計：方案一： 使用中規(guī)模集成電路芯片實現(xiàn)指定數(shù)字信號及偽隨機信號的發(fā)生， 然后用門電路處理后輸出信號；方案二：使用大規(guī)模集成電路（如 FPGA中的移位寄存器及其門陣列實現(xiàn)指定信號的發(fā)生，直接輸出 TTL 電平；方案一成本較低，但使用的芯片數(shù)量較多，硬件設(shè)計較復(fù)雜，而且進階要求中曼徹斯特編碼會增加硬件設(shè)計的負(fù)擔(dān)；方案二使用現(xiàn)成的FPGA開發(fā)板，可較方便且較快實現(xiàn)指定信號的設(shè)計輸出。而且可較容易實現(xiàn)對信號的曼徹斯特編碼。所以采用方案二。1.2 低通濾波器設(shè)計：方案一 ：采用運算放大器與電阻電容搭建。可采用 Fil

3、ter Pro ， TI-TINA 等軟件設(shè)計濾波器，此軟件設(shè)計的濾波器截止頻率精度高，外圍器件可根據(jù)此軟件的仿真結(jié)果進行微調(diào)即可；運放采用opa606 等常見運放芯片，滿足這里的濾波器要求。方案二 ：采用集成低通濾波器芯片 LT1562-2 或 LT1568 搭建。芯片內(nèi)部集成濾波功能模塊，外圍電路簡單，只需接入幾個電阻電容即可。方案三 ：可采用 3 階無源濾波器，電路簡單，但需匹配輸入、輸出阻抗，誤差也不易做?。换诤唵慰尚锌煽康脑瓌t，比較以上方案，我們選用方案二。同步信號提取的設(shè)計方案一：先測曼切斯特信號的脈寬，得到較大波的脈寬，根據(jù)產(chǎn)生曼切斯特信號的原理可得，該脈寬恰是其原始時鐘的周期

4、長度，根據(jù)此得到原始時鐘的頻率，進而得到同步信號。方案二：原序列一個循環(huán)周期中曼切斯特上升沿和下降沿的總和是固定的，在同一段時間內(nèi)，可以把上升沿和下降沿的總數(shù)跟頻率對應(yīng)起來，即可以得到原來同步時鐘的頻率，頻率輸出由計數(shù)器實現(xiàn)，通過對計數(shù)器的異步清零與原序列進行相位同步，這樣就可以得到同步信號。第二個方案測量的頻率簡單，易行，頻率比原始的多或少，就在此基礎(chǔ)上減掉幾個或增加幾個，對于不穩(wěn)的頻率或有過沖，更加準(zhǔn)確，所以選擇方案二。二、理論分析與計算低通濾波器的設(shè)計巴特沃思濾波器具有通帶最大平坦幅度特性，式（ 3-1 ）是 n 階巴特沃思低通濾波器的幅頻響應(yīng)表達 式?。AVA(S)1R1R2CC1S2

5、+ Rc Rc (1AV/1WR2cle(3-1 )R1R2C1C截止角頻率截止頻率:電壓增益：AV 1 ;由于設(shè)計要求每個濾波器帶外衰減不少于40dB/十倍頻程，采用四階電路，理論可達80dB/十倍頻程。四階巴特沃思低通濾波器的傳輸函數(shù)為；A(S)=A1(S)A2(S)(3-2 )100kHz低通濾波電路如下：圖2低通濾波電路 參數(shù)計算：R1=R2=15KC9=C2=100PF;R3=R4=fc= - =215.7kHz截止頻率： 2；電壓增益：A 1 ;同樣200kHz低通濾波電路參數(shù)值如下：R1=R2=C9=C2=100PF;R3=R4=fc= - =215.7kHz截止頻率： 2電壓增

6、益：A 1 ;500kHz低通濾波電路參數(shù)值如下：R1=R2=3KC9=C2=100PF;R3=R4=fc= - =530.5kHz截止頻率： 2；電壓增益：A 1 ;由于設(shè)計要求濾波器通帶增益在一一內(nèi)可調(diào)， 壓放大彳數(shù)為010倍內(nèi)可調(diào)。2.2 m序列數(shù)字信號m序列數(shù)字信號由線性移位寄存器產(chǎn)生，如圖 的輸入端通過系數(shù)與移位寄存器的各級狀態(tài)相連,;C12=500PF;C12=500PF;C12=500PF;在濾波電路后接一級可調(diào)放大電路以滿足設(shè)計需要。電3所示。主要由移位寄存器和反饋函數(shù)構(gòu)成。反饋函數(shù)通過反饋線作為x1的輸入。移位寄存器在時鐘的作用下把反饋函數(shù)的輸出存入x1,在下一個時鐘周期又把

7、新的反饋函數(shù)的輸出存入x1而把原x1的內(nèi)容移入x2,依次循環(huán)下去，xn不斷輸出。由題要求得，m序列數(shù)字信號由線性移位寄存器產(chǎn)生，則f (x1, x2,., xn)為 xi,，xn 的模 2 加 n。f (x1 , x2 ,., x8 )x0 x4x5x63-3 )f (x1 , x2 , , x12 )x0 x7x8x113-4)圖 3 m 序列數(shù)字信號產(chǎn)生過程框圖數(shù)字信號 V1： f1(x) = f1 (x) 18x 的 m 序列 , 由式子可用右移 8 位的寄存器，再由4 輸入異或門，或門及8 輸入與門實現(xiàn)。4偽隨機信號V3： f2(x)1 x x12x的m序列由式子可用右移 12位的寄存

8、器，再由4輸入異或門，或門及12 輸入與門實現(xiàn)。同步信號提取首先要把模擬信號變成數(shù)字信號， 濾掉高頻噪聲信號， 由于曼徹斯特編碼與原序列的關(guān)系是曼徹斯特碼的上升沿表示原序列的 1 ，下降沿表示原序列的 0 ，可以由原序列與同步時鐘異或得到，那么原序列一個循環(huán)周期中曼切斯特上升沿和下降沿的總和是固定的， 在同一段時間內(nèi)， 可以把上升沿和下降沿的總數(shù)跟頻率對應(yīng)起來，即可以得到原來同步時鐘的頻率，頻率輸出由計數(shù)器實現(xiàn)，通過對計數(shù)器的異步清零與原序列進行相位同步，這樣就可以得到同步信號。眼圖顯示方法觀測眼圖可以對信號質(zhì)量作出定量和定性分析， 眼圖的眼張開越大越好, 線條越清晰越好 , 眼圖穩(wěn)定比抖動好

9、 , 單線比多線好, 希望交叉點在幅值的中間 , 圖形對稱。只要系統(tǒng)有同步信號，就可以把同步時鐘和信號輸?shù)绞静ㄆ髦?，由同步時鐘外部觸發(fā)顯示眼圖。在發(fā)揮部分中，輸入端同步信號不可用，則需要從曼徹斯特碼中提取同步信號時鐘，用于以顯示眼圖。三、電路與程序設(shè)計系統(tǒng)框架組成數(shù)字信號發(fā)生器、偽隨機信號發(fā)生器、濾波電路、衰減與放大電路和數(shù)字信號分析電路構(gòu)成。系統(tǒng)框圖如圖 6 所示。圖 6 系統(tǒng)組成框架單元電路分析與設(shè)計低通濾波設(shè)計由于設(shè)計要求每個濾波器帶外衰減不少于40dB/ 十倍頻程，采用四階巴特沃斯電路。當(dāng)截止頻率為100KHz時，電路如下圖所示：加法器設(shè)計 將經(jīng)過調(diào)理后的信號和噪聲（用偽隨機信號模擬噪

10、聲）疊加模擬經(jīng)過信道傳輸之后的信號。偽隨機信號發(fā)生器的數(shù)據(jù)率為10Mkbps,即此加法器的帶寬需要滿足10MHz此處選用帶寬高的高輸入阻抗電流反饋型運算放大器 ths3091 。電路如下圖所示。數(shù)字電路分析電路由于曼徹斯特碼在傳輸過程中不可避免的會受到外界的干擾從而產(chǎn)生信號波形的失真， 接收到的波形將不再是規(guī)則的方波， 因此在同步時鐘提取之前必須對接收的信號先進行濾波整形。 信號傳輸速率最大為100kbps,作為模擬噪聲輸入的偽隨機信號傳輸速率為10Mkbps,將加噪信號經(jīng)過600KHz低通濾波器濾掉噪聲， 再經(jīng)過電壓比較器對信號進行整形， 之后將信號送入同步提取時鐘電路即可提取同步時鐘。電路

11、見圖 11。圖11圖12單片機流程圖四、系統(tǒng)軟件設(shè)計單片機實現(xiàn)對數(shù)字信號數(shù)據(jù)流在10kbps100kbps以10kbps步進可調(diào)，控制信號同步時鐘在10KHz700KH范圍內(nèi)以10KHz步進。單片機流程圖如上圖圖12所示。五、測試儀器與測試數(shù)據(jù)分析測試儀器直流穩(wěn)壓電源：YWK323B260MHz 數(shù)字存儲示波器：Tektronix TDS 100220MHz模擬示波器：YB4320G100M 數(shù)字信號源：rigol DG3101A20M 數(shù)字信號源：rigol DG1022A交流毫伏表Wy2294測試方案與結(jié)果（1）低通濾波器參數(shù)測試測試方案：20M數(shù)字信號源輸出正弦波信號送入低通濾波器，改變

12、正弦波頻率，通過數(shù)字示波器觀察 輸出信號的頻率；固定正弦波頻率，調(diào)節(jié)滑動變阻器，觀察輸出信號的大小。測試結(jié)果與分析：測試結(jié)果見表表一輸入信號Vpp=4V截止頻率（KHZ）-3dB處頻率截止頻率輸出恬號Vpp增益范圍（V/Vn）MinMax100200500分析：經(jīng)測試，截止頻率誤差均小于10%輸出信號增益范圍滿足，滿足題目要求。（2）信號發(fā)生器參數(shù)測試信號數(shù)據(jù)率測試測試方案：同步時鐘信號的頻率與數(shù)據(jù)率數(shù)值相等。已知信號同步時鐘信號的頻率，通過數(shù)字示波器 觀察信號最小間隔對應(yīng)的頻率即可。測試結(jié)果與分析：測試結(jié)果見表三。表二 數(shù)字信號發(fā)生器產(chǎn)生的信號數(shù)據(jù)率測試表（以 10kbps步進）。設(shè)定數(shù)據(jù)率

13、（kbps ）102030405060708090100實際輸出（kbps）誤差（%題目要求偽隨機彳t號數(shù)據(jù)率為10Mkbps,實際測13t為（） Mkbps,誤差為 %。分析：數(shù)據(jù)率測試結(jié)果顯示誤差均小于 1%滿足題目要求。信號幅度測試測試方案：通過交流毫伏表測信號信號峰峰值。測試結(jié)果與分析：曼徹斯特編碼信號不經(jīng)過放大器時，實際測試眼幅度為，滿足TTL（TTL高電平為）電平；調(diào)節(jié)衰減與放大電路的滑動變阻器， 為隨機信號峰峰值范圍為 100mWV,滿足題目范圍100mW TTL電平。（3）信噪比測試測試方案：逐漸提高偽隨機信號的峰峰值，用示波器觀察眼睛的張開程度，并不斷從曼徹斯特碼信號 中提取同步時鐘，直到無法提取同步時鐘為止。在曼徹斯特碼信號增益范圍內(nèi)不斷改變信號的幅值重復(fù)上述測試。測試結(jié)果與分析： 當(dāng)曼徹斯特碼信號幅值較大時，隨著偽隨機信號的峰峰值不斷增大，眼睛張開程度越來越小，峰峰值到達最大的時候，眼睛接近閉合，但是此時仍能提取同步時鐘；當(dāng)信號幅值慢慢減小到某一值時，隨著噪聲峰峰值不斷增大，同步時鐘信號漸漸變差，最終無法提取。六、參考文獻【 1 】 張肅文 . 高頻電子線路（第四版）